Замена микросхем с матричным расположением выводов, пайка которых выполнена бессвинцовым припоем

18.07.2023 |

 

Оценка затрат времени и средств, качество и повторяемость

На начальной стадии ремонта следует оценить временные затраты; если они окажутся слишком большими, это повлечет за собой повышение расходов. При плохом качестве ремонта от него лучше отказаться совсем, а при желании достичь хорошей повторяемости необходимо использовать дорогостоящие системы контроля.

В настоящее время производители электронной техники применяют микросхемы в миниатюрных корпусах с сотнями расположенных в виде матрицы выводов, качество пайки которых удается контролировать лишь с помощью сложных систем визуализации.

При переходе к бессвинцовым припоям с более высокой температурой пайки, более узкими технологическими допусками и отсутствием у производителей до- статочного опыта необходимость в средствах контроля возрастает. Однако, при правильно подобранном профиле пайки, наличии соответствующего оборудования и знаний можно уменьшить затраты времени и средств и повысить качество пайки микросхем и при использовании бессвинцовых припоев.

Основные этапы процесса замены микросхем

Процессы замены микросхем при пайке бессвинцовыми припоями и использовании оловянно-свинцовых припоев идентичны и включают основные этапы: подбор оптимального профиля пайки, удаление неисправного компонента, очистку и подготовку платы, монтаж нового компонента с применением флюса или паяльной пасты, пайку и контроль полученных результатов. На ремонтных станциях (рис. 1) используется преимущественно конвекционная пайка, позволяющая достичь хорошей управляемости процесса, без чего повторяемость результатов невозможна.

Рис. 1. Конвекционная ремонтная станция для пайки плат бессвинцовыми припоями

Состав паяльной пасты

Существует много сплавов, используемых в качестве бессвинцовых припоев. Наиболее распространены сплавы на основе олова с небольшим количеством серебра, меди или висмута, температура плавления которых находится в пределах 206-221 °С, а температура пайки в пределах 217-235 °С.

 Температурный диапазон пайки

Максимальное значение пиковой температуры пайки для бессвинцовых припоев составляет около 235 °С, а максимально допустимая температура для компонентов – 265 °С. Наиболее часто в технических описаниях компонентов приводят значение максимально допустимой температуры, лежащей в пределах 240-250 °С, что весьма близко к диапазону температур пайки (225-233 °С). Временной интервал участка профиля пайки, лежащего выше температуры плавления припоя, который для оловянно-свинцовых припоев составляет 60-90 с, для бессвинцовых припоев должен быть уменьшен до 15-30 с. Ремонтная станция должна обеспечивать возможность быстрого изменения температуры, чтобы воспроизвести требуемый профиль пайки с достаточной точностью.

Профиль пайки

Конвекционный нагрев позволяет обеспечить повторяемость профиля пайки, что исключает как перегрев компонента, так и слишком продолжительное время его пребывания при температуре выше температуры плавления припоя. Оптимальный профиль пайки может быть достигнут при наличии соответствующих знаний, опыта и терпения.

Ремонтная станция (рис. 2) должна не только обеспечить достаточно точное воспроизведение стандартных зон профиля пайки (предварительный на- грев, прогрев, оплавление и охлаждение), но и возможность изменения температуры с требуемой скоростью.

Рис. 2. Конвекционный нагрев компонентов во время пайки

Увеличение температуры пайки

Учитывая необходимость более высокой температуры для пайки бессвинцовыми припоями, а также высокую чувствительность к перегреву микросхем в корпусах BGA и CSP, необходимо более тщательно контролировать температуру в процессе пайки, а также иметь возможность быстрого ее изменения, чтобы исключить повреждение компонентов. Без этого хороших результатов достичь не удастся. Использование предварительных нагревателей с эффективным регулированием температуры снижает риск повреждения чувствительных к перегреву компонентов.

Скорость возрастания температуры

Профиль пайки бессвинцовыми припоями отличается от профиля пайки оловянно-свинцовыми припоями. Типовой профиль может быть следующим: на- грев до 140 °С в течение 100 с, прогрев при темпера- туре не более 175 °С в течение 90 с, рост температуры до 225 °С в течение 100 с, зона оплавления при 235 °С в течение 20 с и, наконец, охлаждение в течение 60 с. При этом важно обеспечить необходимую скорость роста и спада температуры, а также непрерывный контроль процесса пайки.

Выравнивание температуры нагрева компонентов

Еще одним фактором, который необходимо учитывать при пайке бессвинцовыми припоями, является неравномерность нагрева компонентов. Неравномерность нагрева компонентов в пределах 10 °С является приемлемой при использовании оловянно- свинцовых припоев, однако в случае применения бессвинцовых припоев эту величину следует уменьшить вдвое. Достичь такой точности на практике бывает довольно сложно. Кроме того, следует учитывать неравномерность нагрева компонентов по вертикали. Она может достигать 10 °С между верхней плоскостью микросхемы и ее выводами или находящейся под ней поверхностью платы, что требует оптимизации профиля пайки.

Точность поддержания температуры пайки

Для того, чтобы быть уверенным, что образовалось надежное нехрупкое паяное соединение, необходимо контролировать температурный профиль пайки. Для бессвинцовой пайки следует обеспечить достаточную точность профиля, а также возможность быстрого роста и спада температуры, в том числе для расположенных снизу платы нагревателей. Температура должна быть достаточной для расплавления припоя, образования интерметаллического слоя, активации флюса и оптимального смачивания, однако не должна достигать значений, при которых плата и компоненты могут быть повреждены.

Контроль результатов

Бессвинцовые соединения выглядят более шероховатыми, чем оловянно-свинцовые и недостаточно опытные контролеры иногда считают их дефектными. Переходя к бессвинцовым припоям, компании должны использовать новые стандарты, а также провести обучение контролеров для выработки у них навыков правильной оценки качества соединений. Для проведения контроля возможно использование рентгеновских установок, хотя из-за их высокой стоимости более широкое применение нашли оптические методы контроля. В продаже имеются новые оптические системы, такие как, например, система LS3000 фирмы PACE или PI-1000 фирмы Metcal (рис. 3). Построенные по принципу эндоскопа, они позволяют получить на экране изображение сферических выводов микросхем и оценить качество их пайки.

Рис. 3. Оптическая система PI-1000 фирмы Metcal

 

Заключение

Основные стадии процесса замены микросхем с матричным расположением выводов при переходе к бессвинцовым припоям остаются теми же, что и для оловянно-свинцовых. Однако, при замене микросхем для получения надежных соединений необходимо использовать ремонтные станции, обеспечивающие необходимые параметры процесса пайки и более узкие температурные допуски, а также системы контроля результатов пайки.